对于细胞中的两个基因，其中任何一个单独突变都不会导致细胞死亡，而两者同时突变就会导致细胞死亡，这种现象就称为合成致死。近年来，合成致死逐渐成为开发新一代肿瘤靶向药物的潜在策略。当肿瘤细胞中某一条特定通路发生突变，抑制其合成致死相关分子的活性会导致肿瘤细胞死亡。随着阿斯利康将聚腺苷二磷酸核糖聚合酶（PARP）抑制剂Olaparib（奥拉帕尼）成功推向市场，给合成致死从理论走向临床应用带来突破性进展。本文结合相关文献，编译整理了合成致死在癌症治疗中的研究进展和潜在作用。
概述
合成致死最早是1922年Bridges在果蝇中观察到的一种遗传现象，之后在1946年由Dobzhansk对其命名。Bridges发现，对于细胞中的两个基因，其中任何一个单独突变都不会导致细胞死亡，而两者同时突变就会就会导致细胞死亡，这种现象被称为合成致死。随后，在酵母中发现了多种合成致死相互作用关系，直到人类基因组测序的完成以及全基因组RNAi（RNA干扰）的实现，这些相互作用在实验性哺乳动物系统中也被相继发现。众所周知，癌症治疗的主要挑战在于如何在杀死癌细胞的同时不损伤正常细胞，化疗的主要限制来源于化疗药带来的毒副作用和耐药性。理论上，合成致死可以保证在正常细胞不受影响的情况下，选择性靶向杀死癌细胞（图1）。2014年12月19日，奥拉帕尼获美国FDA批准，作为单药治疗至少接受过3次化疗或者怀疑BRCA突变的晚期卵巢癌患者。PARP抑制剂奥拉帕尼可以抑制BRCA1/2突变的癌细胞，作用机制就在于PARP和BRCA1/2的合成致死相互作用。BRCA1/2缺陷的细胞对奥拉帕尼的敏感程度是正常细胞的1000倍。
图1：合成致死模型
癌症治疗中有潜力的合成致死相互关系
虽然合成致死相互作用已经可以在人类细胞中进行广泛的筛选，但是它们在癌症治疗中很多潜力仍然不明确。下面介绍几种癌症治疗中有潜力的合成致死作用。
致癌基因
1）K-Ras
K-Ras是癌症中最常见的突变基因之一，是有潜力的药物靶标。然而，目前的研究表明K-Ras很难成为小分子药物的靶点。因此，寻找K-Ras的合成致死相互作用分子成为研究热点。Elledge和他的同事发现检查点polo样激酶PLK1与 K-Ras有合成致死作用。PLK1可参与有丝分裂大部分时期的调控。在K-Ras突变的肿瘤细胞中，抑制PLK1会导致强烈的前中期阻滞。然而，无论是正常细胞还是癌细胞，PLK1都是不可缺少的。因此，抑制PLK1对正常细胞和肿瘤细胞都会有影响，这种影响的不同之处在于量。通过筛选一部分K-Ras突变的细胞系，发现丝氨酸/苏氨酸激酶33（STK33）也可能与K-Ras存在合成致死作用。但是后续研究未能重现这一相互作用，并且抑制STK33并没有对K-Ras突变细胞产生特异性毒性。在K-Ras突变肺癌细胞系中，TBK1（non-canonical IκB kinase TANK-binding kinase 1）显示出与K-Ras的合成致死相互作用。TBK1的作用机制可能是通过NFκB通路产生促生存信号。CDK4 也被认为与K-Ras存在合成致死相互作用，但是机制尚不清楚。CDK抑制剂MK-7965已经推进到Ⅱ期临床试验，在癌症治疗中显示出潜力。
2）Myc
Myc家族（包括c-Myc、N-Myc和L-Myc）是一组转录因子，通常过表达、扩增和易位，并且与不同肿瘤细胞有关。Myc也是一类很难成药的靶点。同样的，寻找与Myc能产生合成致死作用的分子具有重要意义。Quon与他的同事发现，激活Trail死亡受体DR5对Myc过表达的成纤维细胞是致死的。因此，DR5激动剂成为Myc突变癌症治疗的靶向药物。DR5激动剂TAS266正在进行实体瘤临床试验，实验结果尚不清楚。有研究报道，CDK与Myc存在组织特异性合成致死相互作用：在淋巴瘤、肝母细胞瘤和Myc依赖的乳腺癌中，Myc与CDK1存在合成致死关系；在成神经细胞瘤中，Myc与CDK2存在合成致死关系。
抑癌基因
1）VHL
VHL是一种肿瘤抑制基因，与肿瘤多发综合征有关，分布在某些特定肿瘤中，包括中央神经系统的胶质母细胞瘤、视网膜血管瘤、胰岛细胞瘤、肾上腺嗜铬细胞瘤和肾脏肿瘤。肾细胞癌（RCC）对放疗药物和标准化疗药物都有一定抵抗性。据估计，超过80%的自发和遗传性肾脏肿瘤中有VHL突变或由甲基化引起的基因沉默。shRNA 库以及小分子化合物库的高通量筛选已成为筛选与VHL基因缺陷细胞具有合成致死作用药物的重要方法。研究发现VHL可能与CDK6、MET和MAP2K1存在合成致死作用。合成致死作用的研究为更直接地探索VHL基因突变的RCC的靶向治疗提供了机会。
2）PTEN
PTEN是一种抑癌基因，其突变经常发生于遗传的和自发的癌症中。PTEN基因的缺失可增加AKT信号通路的激活，增加细胞增殖和蛋白质的合成，降低细胞凋亡。研究已经表明，PTEN基因缺失与抑制mTOR可产生合成致死作用。mTOR抑制剂CCI-779对PTEN基因缺失的细胞系有选择性毒性。另外，PTEN基因的功能之一是通过同源重组修复断裂的双链DNA。因此，除了有BRCA基因突变的乳腺癌和卵巢癌，PARP抑制剂对PTEN基因缺失的癌症也有效果。
DNA损伤反应途径
由于内外环境影响因素，细胞DNA通常会有损伤的风险。为了维持基因组的完整性，细胞会发展出部分冗余的或重叠的DDR途径来修复DNA损伤。在肿瘤发生的过程中，DDR通路会发挥作用，阻止肿瘤的发生和恶化，因此，很多肿瘤的DDR途径是有缺陷的。由于这种缺陷，肿瘤细胞对DNA损伤剂通常比正常细胞更敏感，这也是放疗和化疗的理论基础。除此之外，当肿瘤的部分DDR途径存在缺陷时，那么它的存活就取决于其余的DDR途径。通过抑制这些通路，就可以实现合成致死相关策略。
1）PARP
聚腺苷二磷酸核糖聚合酶（PARP）是一种单链DNA修复酶，其通过碱基切除修复（Base excision repair，BER）途径对DNA复制过程出现的单链损伤（SSBs）进行碱基切除修复，从而参与了DNA的复制与转录并维持基因组稳定性。PARP功能缺失对于正常细胞或者生物体来说是可以承受的。例如，PARP缺陷的小鼠可以存活和生育，并且不会发展早期肿瘤。主要的原因在于，PARP功能损伤会导致持续的DNA损伤，而这种损伤可以通过同源重组修复途径（HR）来修复。BRCA1/2缺陷的肿瘤细胞无法通过HR修复途径修复损伤（图2）。因此，BRCA1/2缺陷的细胞对PARP抑制剂敏感。报道称，BRCA突变的细胞对PARP的敏感程度是野生型细胞的1000倍。2005年，Helen、Hannah及其同事首次展示了PARP抑制剂在BRCA1/2缺陷的肿瘤患者治疗中的潜力。奥拉帕尼是由阿斯利康研发的首创口服PARP抑制剂。在美国，奥拉帕尼被批准用于具有BRCA突变（用FDA批准的检测方法检测），且经化疗的晚期卵巢癌患者的治疗。更多研究表明，PARP抑制剂不仅对BRCA突变的肿瘤有效，对其他的肿瘤也有疗效，例如PTEN突变的和ATM缺陷的肿瘤。
图2：PARP抑制剂对BRCA1/2缺陷性细胞的选择性合成致死作用
2）MTH1
细胞代谢会产生活性氧（ROS），可引起DNA、RNA、蛋白质和脂质的氧化损伤。通常癌细胞会发生氧化还原调控异常，导致ROS水平升高。ROS会产生氧化的dNTP（脱氧核糖核酸）池，从而导致DNA损伤。MTH1通常在癌症细胞中过表达，MTH1酶能通过选择性清除NTP池中的氧化核苷酸，从而减轻这一问题。有研究表明，正常细胞并不需要MTH1，但是癌细胞中由于ROS水平高，因此必需MTH1蛋白，如果抑制这种蛋白，就会导致氧化核苷酸渗入DNA，造成DNA损伤和细胞死亡。因此MTH1与高水平的ROS之间就存在合成致死相互作用。TH287、H588（MTH1抑制剂）通过抑制MTH1所产生的毒性作用，可以被大肠杆菌mutT（一种MTH1的同源物，不会被TH287和TH588抑制）所解除。尽管MTH1在多种肿瘤中过表达，但是目前MTH1抑制剂的研究还处于动物试验阶段。
3）ATM/ATR
ATM（共济失调-毛细血管扩张突变基因）和ATR（共济失调-毛细血管扩张和Rad3相关基因）属于磷脂酰肌醇3激酶相关激酶家族。ATM是DNA双链断裂修复中的关键激酶，而ATR作用于损伤的单链DNA结构。激活的ATM和ATR迅速将信号下传给下游信号传导分子，启动DNA修复和短暂的细胞周期阻滞。尽管ATM和ATR对不同种类的DNA损伤产生作用，但他们的下游信号分子和生物学效应也存在重叠。ATM和ATR抑制剂通常被用来作为化疗和放疗增敏剂，但是近期研究发现这些抑制剂可以通过合成致死的理论，单独作用于特定肿瘤。例如，Jones、Guichard及其同事发现ATR抑制剂AZD6738在ATM缺陷的异种移植瘤模型中可以产生致死性作用，但是对ATM充足的异种移植瘤模型不存在致死性作用。 更重要的是，p53缺陷会加剧ATM和ATR之间的合成致死相互作用。同样的，PARP抑制剂对体内外的ATM缺陷肿瘤细胞显示抑制活性，这种抑制作用可以通过抑制p53所增强。Kennedy及其同事发现ATM与范可尼贫血（Fanconi Anemia）信号通路之间存在合成致死关系。除此之外，ATM也显示出与APE1、XRCC1的合成致死关系。而ATR的合成致死相关分子包括XRCC1、ERCC1、和MRE11。总的来说，在DDR通路缺陷的肿瘤中，ATM和ATR成为单药作用靶点的潜力巨大，尽管目前只有一个ATR抑制剂（AZD6738）推进到临床Ⅱ期研究。
合成致死面临的挑战
尽管通过RNAi库和化合物库筛选出许多合成致死相互作用，但是合成致死相关的药物研发进入临床研究阶段的少之又少，将合成致死概念应用于药物研发取得成功的药物目前仅限于PARP抑制剂。合成致死理论与临床癌症治疗之间还存在距离。将合成致死应用于临床癌症治疗的挑战主要在于合成致死筛选技术的提升、遗传环境因素的影响以及在合成致死抗肿瘤疗法之后产生的耐药性。PARP抑制剂在合成致死相关药物研发中，迈出了重要的一步。未来需要花费更多的精力来筛选合成致死相关基因，研发更多合适的药物，改善癌症药物治疗给患者带来的不良反应。
参考文献：
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3、 赵志栋, 张海港. 合成致死作用在抗肿瘤药物筛选中的研究进展. 中国新药杂志, 2012, 21(12): 1354-1357.
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